پودر پلیمری/نانوکامپوزیت ترموپلاستیک مورد استفاده در پرینت سه بعدی SLS
محور پژوهش
مواد پیشرفته و محصولات مبتنی بر فناوری‌های شیمیایی
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی مکانیک
حوزه پژوهش
مواد پیشرفته (پلیمرها و کامپوزیت‌ها)
عنوان
پودر پلیمری/نانوکامپوزیت ترموپلاستیک مورد استفاده در پرینت سه بعدی SLS- طرح بالقوه در حال انجام با افق پیش رو هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه: هدف اصلی این طرح، ارائه و معرفی روش جدید برای تهیه پودر پلیمری میکرو نانوکامپوزیت با ساختار و یا تقویت کننده های نانومقیاس بر پایه پلیمرهای پلی الفین رایج (ترموپلاستیک) با هر نوع نانو ماده نظیر هیدروکسی اپتایت بمنظور تهیه نمونه های پرینت سه بعدی زیستی و یا رسانای الکتریکی و یا دیگر نانوذرات تقویت کننده با مشخصات مورد نیاز در صنعت پرینت سه بعدی SLS است. از دیگر اهداف ساخت پودر پلیمری نانوکامپوزیتی با درصدهای وزنی مختلف نانومواد و پلیمرهای مختلف رایج است. امروزه چاپ سه بعدی در صنعت ساخت و تولید قطعات پیشرفت های زیادی کرده است اما با توجه به اینکه مواد مصرفی داخل این فرایند خواص لازم نظیر استحکام، رسانایی حرارتی یا الکتریکی، چقرمگی، انعطاف پذیری و ... مناسب را ندارند نیاز به تولید تقویت کننده ها و مواد افزودنی داخل مواد خالص پلیمری به منظور تولید نانوکامپوزیت احساس می شود. پیشرفت و توسعه پرینتر های(Selective laser sintering) SLS یا تفت جوشی انتخابی با کمک لیزر همچنان وابسته به توسعه مواد و پودرهایSLS و دسترسی به این ماده پایه در این فناوری مهم می باشد. در روش SLS فایل هندسی قطعه به صورت کانتور و یا بالک توسط نرم افزار لایه بندی شده و این اطلاعات برای سینترینگ پودر مورد نظر در این فرآیند به کمک لیزر مورد استفاده قرار می گیرد. تولید و استفاده پودر های پلیمری نانوکامپوزیتی برای استفاده در صنعت SLS یکی از مشکلات صنعت لیزر می باشد. با همه مزیت هایی که برای این نوع پرینترها و کاربردهای آن بیان می شود، عدم دسترسی راحت و مقرون به صرفه به مواد مصرفی آنها یعنی پودرهای SLS یک محدودیت جدی برای این نوع پرینترها حتی در حوزه های تحقیقاتی جدیدتر یعنی نانوفناوری و نانوکامپوزیت های پلیمری محسوب می شود. عمده تحقیقات فعلی و یا حتی صنعتی از نوع پلیمرهای ترموپلاستیک خاص نظیر PA12 و یا نایلون 12 به دلیل استحکام، خواص حرارتی و انعطاف پذیری و جریان پودر مناسب آن استفاده می کنند. چه از نظر دسترسی و چه از نظر هزینه ای پودر PA12 مورد استفاده در فرآیندهای SLS و به خصوص در کشور ما با اینحال یک چالش جدی و گلوگاهی است. از سوی دیگر پودرهای پلیمرهای دیگر یا رایج نبوده و یا تهیه آنها میسر نمی باشد. پودرهای SLS همچنین باید قابلیت عرضه سریع به بازار را داشته و ضمن ارائه خواص مورد نظر متخصصان پرینترهای SLS لازم است از نقطه نظر خواص ارائه شده، حرارت موضعی ایجاد شده توسط لیزر و توزیع آن، شرایط پیشگرم پودر و دقت ابعادی نیز کیفیت قابل قبولی را ارائه دهند. مشکل دیگر، وجود پودرهای خالص پلیمری است در حالیکه در تکنولوژی امروز پلیمرها، سمت و سوی بسیاری از تحقیقات دانشگاهی و صنعتی به سمت نانوکامپوزیت کردن این پودر ها به منظور بهبود خواص مکانیکی و الکتریکی و یا دیگر خواص زیستی پودرها می باشد. عدم وجود پودر نانوکامپوزیت مورد استفاده در پرینت های سه بعدی بوده و تا به امروز پودر پلیمری خالص در بهترین حالت تنها با افزودنی ها و یا مواد تقویت کننده مورد نظر پوشش داده می شوند. در این اختراع، خود پودر، متشکل از ساختار و افزودنی های نانومقیاس است. تاکنون عمده تحقیقات بر این امر استوار است که ذرات نانو زیستی و یا تقویت کننده ها به گونه ای بر روی پودر پلیمری در دست پوشش داده می شوند. اما مشکل اصلی در این است که صرف نظر از فرآیند پیچیده و گاهی بدون راندمان پوشش دهی، به دلیل ماهیت دستگاه SLS و ایجاد ذوب نقطه ای بر روی پودر، و عدم هدایت گرمایی پودرهای پلیمری قسمتی از نمونه ذوب شده (مثلاً نواحی اطراف تقویت کننده های هادی گرما) و قسمت پلیمری بصورت پودر باقی می ماند. این حقیقت باعث افت شدید خواص مکانیکی به خصوص ضربه پذیری محصول شده صرف نظر از فقدان دقت ابعادی و صافی سطح و چگالی کاهش یافته محصول. همچنین در صنعت چاپ سه بعدی تف جوشی انتخابی لیزر استفاده از مواد مصرفی کروی به جهت سیلان پودر، کاهش تخلخل قطعه نهایی و افزایش نسبت سطح به حجم به جهت جذب انرژی لیزر می تواند قطعه نهایی را با خواص بهتری نسبت به قطعات تولید شده رایج فعلی ارائه دهد. هدف نهایی در تولید این پودر نانوکامپوزیتی بهبود خواص منحصر به فرد ماده مصرفی و همچنین بهبود خواص قطعه نهایی در صنعت چاپ سه بعدی می باشد. چالش های پیش رو و در نتیجه ضرورت ایجاد شده در صورت عدم دسترسی به پودرهای نانوکامپوزیتی پلیمری: عدم امکان توسعه پرینترهای سه بعدی SLS در خصوص پلیمرهای جدید و نانوکامپوزیتی اشباع تحقیقات پرینت سه بعدی SLS در خصوص پلیمرهای رایج مانند PA12 وابستگی علمی در خصوص دانش فنی و فرمولاسیون پودرهای مورد نیاز در فرآیند SLS عدم امکان صنعتی سازی محصولات پرینت سه بعدی SLS با اتکا به پلیمرهای رایج در کشور مزیت روش مورد استفاده: روش های تولید پودر مثلاً روش های آسیاب مکانیکی چالش هایی نظیر عدم روان بودن پودر، قابلیت فرآیند و اندازه ذرات را پیش رو دارد. همچنین، هندسه ذرات لازم است بطور مناسبی قابلیت پرینت و سیالیت پودر را بالا برده که از این جهت پودرها با هندسه کروی مناسب تر هستند و این درحالی است که این هندسه ذرات باید در عین حال قابلیت فشردگی و چگالی بالای قطعات ساخته شده را نیز تضمین کند. عدم قابلیت تولید پودر SLS در انواع دیگر پودرهای پلیمری نیز روش عمومی و قابل تعمیمی نیست و بستگی به نوع پلیمرها ممکن از تجهیزات و یا مواد کمکی (نظیر حلال ها) دیگری نیز مورد نیاز باشد. همچنین، به دلیل ماهیت تولید پودر پلیمری در این روش و دستیابی به دانش فنی تهیه آن، امکان تولید پودرهای نانوکامپوزیتی تقویت شده با ذرات نانو/میکرو مقدور می باشد چرا که در بسیاری از کاربردها پلیمرهای خالص خواص مکانیکی قابل توجه را ارائه نمی دهند. روش هایی نظیر روش های حلال، نیاز به مواد مصرفی حلال بسیار زیاد بوده که نه تنها مقرون به صرفه نیست بلکه خروجی بسیار کمی را ارائه می دهد. همچنین آگلوموره شده و نیاز مجدد به آسیاب و پودر سازی نمونه ها فرآیند ساخت را طولانی تر می کند. همچنین این روش ها منجر به تولید پودرهایی است که کروی نبوده و دارای گوشه های تیز بوده که روانروی (سیالیت) پودر پلیمر را در بستر SLS دشوار کرده که یک عیب بزرگ در این روش ها است. دیگر مزیت ها و کاربرد ها شامل: -قابلیت کاربرد در دامنه وسیعی از پلیمرهای ترموپلاستیک -قابلیت تغییرات شدید در نوع نانومواد مصرفی -انعطاف پذیری در تغییرات در درصد حجمی نانومواد، کیفیت تفرق ذرات و اندازه ذرات -اصالتاً دستیابی به یک پودر نانوکامپوزیت (متشکل از مواد نانوذره) به جای پودر پوشش داده شده -سادگی و در دسترس بودن مراحل و روش ساخت و تجهیزات مورد نیاز -قابلیت استفاده خود پودر در دیگر روش های ساخت نانوکامپوزیت ها مانند میکرو تزریق، پرس گرم و غلتک مذاب کلندرینگ (نورد) -قابلیت استفاده پودر در کاربردهای زیستی بطور مستقیم صرف نظر از استفاده مراحل SLS استفاده مستقیم پودر بدون نیاز به عملیات جانبی و یا مراحل دیگر در ماشین های SLS به منظور تهیه نمونه های پرینت سه بعدی ساخت داربست های استخوانی از پودر تهیه شده توسط روش های نیمه مذاب مانند پرس گرم با پنجره فرآیند مهندسی شده گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها تجهیزات زیرساختی به منظور انجام این طرح اکسترودر مذاب پلیمر و تجهیزات دیسپارسیون ذرات بوده که پس از مرحله تهیه پودر به تاور و یا برج کروی سازی پودر هدایت می شود. این برج توسط تیم پلیمر و نانوکامپوزیت ساخته شده است. این طرح در حال انجام بوده و تاکنون موفق به تهیه پودرهای کروی در خصوص برخی از نانوکامپوزیت های ترموپلاستیک شده است که در مرحله نهایی ثبت اختراع آن می باشد. تجهیزات مورد نیاز به منظور تهیه پودر نانوکامپوزیت، پودر سازی و کروی کردن پودر در آزمایشگاه پلیمر و نانوکامپوزیت موجود است.